Физика дефекта масс и энергии связи

 УДК. 530.                                                                        

Введение

Величина, на которую масса атомного ядра меньше массы всех нуклонов, из которых это ядро образуется, называется дефектом массы ядра. Энергия связи ядра – это минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны. Энергия связи имеет простой смысл: это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны и удалить нуклоны друг от друга на такое расстояние, где они не взаимодействуют друг с другом. Если измерить массу ядра атома до реакции, а затем после , выяснится, что масса различается. Это различие называется дефектом массы.

И этот дефект массы зависит от энергии связи по формуле:                                                                                                               Δm=ΔE0/c2,

где ΔE0 – это энергия связи ядра,

Δm – дефект массы.

Дефект масс не имеет физического обоснования его происхождения, а учёные только фиксируют уменьшение массы ядра химических элементов.                            

Целью данной статьи является определить истинный физический процесс образования дефекта масс и получение энергии при ядерных реакциях.

Поставленная цель достигается путём анализа физических сил действующих на нуклоны в ядре атома. 

Как пишут учёные,  дефект масс зависит от энергии связи, но не дают ответ, почему при реакциях все нуклоны теряют массу и при этом для каждого химического элемента величина её не постоянна. Так от водорода до железа потеря массы на один нуклон медленно увеличивается, а далее  она уменьшается. При реакции высвободившийся нейтрон восстанавливает свою массу, отнимая от каждой  массы нуклонов ядра  небольшие массы. Каким образом это происходит, учёные не дают ответа. Нет физического объяснения какой процесс происходит для того чтобы дефект масс придал  вновь образованным  ядрам кинетическую энергию. Нет ответа на вопрос, каким образом дефект масс действует на ядра, создавая им кинетическую энергию, т.е. нет ответа, что в этом случае представляет энергия связи, и её вид.       

Протоны в ядре отталкиваются друг от друга, так как положительно заряжены. Почему ядро не распадается на отдельные нуклоны?..

Физики пришли к выводу, что есть неучтённые силы притяжения, которые назвали  ядерными силами. В ходе экспериментов учёные выяснили, что ядерные силы очень велики – в примерно в 100 раз больше, чем силы электростатического отталкивания. А ещё они очень короткодействующие – их размеры ограничены размерами атомного ядра. Это предположение не даёт ответ, на каком расстоянии они начинают и заканчивают своё воздействие.

Так как нуклоны внутри ядра обладают кинетической энергией порядка 18 МэВ, т.е. они имеет возможность вращаться в ядре, создавая центробежную силу.

Фактически разность масс создаётся за счёт вращения нуклонов в ядре атома, при этом центробежные силы  направленны встречно ядерным силам, и  компенсируют их. Данных для этих расчётом в физике нет.

Рассмотрим атом Гелия, содержащий два протон, два нейтрона и два электрона.

Масса Гелия должна быть равна

mг = 2mp + 2mн +2 me =  2* 1,0075957 + 2*1,008 664 915 951+2*5,48578*10-4=             = 4,033618а.е.м.                                                                                                           

Расчётная масса Гелия равна                                                                                               

mгр = mг – 2mе = 4,033618 – 2*5,48578*10-4 = 4,0334406 а.е.м.                           

Фактически масса Гелия равна mгф =4,00260325415 а.е.м.                                       

Разность расчётной и фактической масс составляет                                                     

Δmг = mг – mгр = 4,00260325415 -  4,0334406  =  - 0,0308373а.е.м.                         

Дефект масс на один нуклон равен                                                                                   

Δmг1= Δmг /4 = 0,0308373 / 4 = 0,0077093а.е.м.                                                           

При расположении нуклонов в одной плоскости максимальный радиус ядра будет равен

rг = (22 rн2  + 22 rн2 ) 1 / 2 / 2  = (4*1*10 – 30 +  4*10 – 30 ) 1 / 2 / 2  = 1,41*10 – 15 м.           

Средняя центробежная сила для создания дефекта масс на один нуклон равна силе гравитации     

FЦг = Рэ = Δmг1q =0,0077093 *1,6735*10 - 27 *9,81 =  0,1266 *10 - 27 н.. 

Из формулы FЦ = mvн 2 / rг  определим  среднею линейную скорость вращения нуклонов в ядре, 

vн = (FЦ rг / mср) 1 / 2 = (0,1266 *10 – 27*1,41*10 – 15 / 1,6735*10 – 27) 1 / 2  =                          =1,03*10 – 8 ,м. /сек..                         

Число оборотов нуклона равно                       

 n = vн/ 2πr = 1,03*10 – 8 / 2*3,14*1,41*10 – 15 = 1,6*10 6 об. /сек.

Рассмотрим атом углерода, содержащий 6 протонов , 6 нейтронов и 6 электронов. Фактическая масса Углерода  равна mу = 12а.е.м. 

Разность расчётной и фактической массами составляет 

Δmу = 6 mр + 6 mн -  mу = 6*1,0075957 + 6* 1, 008664915951 – 12 =                                    = 0,0975636957 а.е.м.

Расчётная масса одного нуклона равна

Δmу1  = Δmу / 12 = 0,0975636957 / 12 =  0,00813 а.е.м.

Радиус ядра определим из формулы Rу = Aa1 / 3 , где

А = 1,23*10 – 15м

 rу = Aa1 / 3 = 1,23*10 – 15*12 1/ 3 = 2,4*10 – 15м.                                                                       

Необходимая  средняя центробежная сила для создания дефекта масс на один нуклон равна           

FЦу = Рэ = Δmу1q =0,00813 *1,66*10-27 *9,81 = 0,132*10 – 27н.                                          Необходимая средняя скорость вращения нуклонов в ядре, 

vн= (FЦу rу / mн) 1 / 2 = (0,132 *10 – 27*2,4*10 – 15 / 1,6735*10 – 27) 1 / 2 =                            =1,4*10 – 8 м. / сек.

Число оборотов нуклона равн

n = vн/ 2πr = 1,4*10 – 8 / 2*3,14*2,57*10- 15  =2,2 *10  6 об./сек

Дальнейшие расчёты сведём в таблицу 1.

Определим, как изменяются массы протона и нейтрона. Так для изотопов железа      52 / 26 Fe,имеющего 26 протонов, 26 нейтронов и массу ядра 

mж  = 51,948114  а.е.м., а для изотопа железа 51 / 26 Fe, имеющего 26 протонов , 25 нейтронов и массу ядра mж1 =   50,956820 а.е.м., т.е. один нейтрон имеет массу равную  mжн = mж - mж1 =  51,948114 -50,956820 = 0,991294а.е.м. .

Потеря массы нейтрона равна

Δmжн = mн -  mжн = 1,008 664 915 951- 0,991294 = 0,017371а.е.м.

Для изотопа кобальта 53/ 27 Co, имеющего 27 протонов, 26 нейтронов и массу ядра  mк = 52,954219 а.е.м., а для изотопа железа  52 / 26 Fe, имеющего  26 протонов, 26 нейтронов и массу ядра  mж = 51,948114 а.е.м., т.е. один протон имеет массу равную

mкн = mк - mж = 52,954219  -51,948114  = 1,006105а.е.м..                                         Потеря массы протона равна                                                                                       Δmкн = mн -  mкн = 1,0075957  - 0,991294 =0,0163017 а.е.м.. 

Как видим протон и нейтрон теряют свои массы, причём её величина не является постоянной, а для каждого химического элемента имеет своё значение.

Согласно теории относительности энергия эквивалентна массе, т.е. дефект масс, определяет величину выделенной энергии  Δm=ΔE0  /  c2 . 

Фактически дефект масс определяет, на какую величину изменится масса нуклонов за счёт действия центробежных и ядерных сил на них в ядре, но не исчезновение масс при реакции. Учёные не дают разъяснений, каким образом нейтроны, образовавшиеся при синтезе гелия и распаде урана 235, восстановили свою начальную массу. Неужели они способны отрывать «кусочки» от всех оставшихся в ядре нуклидов, причём массы этих «кусочков» для различных атомов различны.

Например,  изотоп железа 58 / 26 Fe   имеет массу  57,9332756  а.е.м..

В этом случае  один нуклон имеет массу равную

57,9332756 / 58 = 0,9988495793103448 а.е.м..

 Изотоп железа 57/26 Fe  имеет массу 56,9353940 а.е.м.. В этом случае  один нуклон  имеет массу  равную 56,9353940 / 57 =  0,9988665614035088 а.е.м..                                  Разность масс нуклидов равна                                                                                 

0,9988665614035088  -  0,9988495793103448 =  0,000016982093164 а.е.м..             

Таким образом, каждый из  нуклонов изотопа железа 57/26 Fe больше  нуклонов изотопа железа 58| 26 Fe  на «кусочек» равный   0,000016982093164 а.е.м.                     

Атомная масса Урана 235 равна 235,0439299 а.е.м., Масса одного нуклона равна 235,0439299 / 235=1,000186935744681а.е.м., что больше массы одного нуклона изотопов железа  58 / 26 Fe и 57/26 Fe.                                                                  

 Произведём расчёт кинетической энергии осколков атома при делении урана 235.    Ядро урана-235 имеет шаровидную форму. В результате поглощения лишнего нейтрона, ядро возбуждается и начинается процессе его деформации, до приобретения вытянутой формы. Ядро подвергается растягиванию, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начинают преобладать над силами притяжения, которые действуют в перешейке. Далее ядро разрывается на две части. Из этого заключения можно сделать вывод, что деформация ядра  происходит при преобладании сил отталкивания над ядерными силами и после разрыва ядра на расстоянии равном 2*10 – 15м. ядерные силы становятся меньше сил отталкивания между протонами вновь образованных ядер.
Сложность и неоднозначный характер ядерных сил, а также трудность точного решения уравнений движения всех нуклонов ядра , ядро с массовым числом А представляет собой систему из А тел, не позволили разработать до            сегодняшнего дня единую стройную теорию атомного ядра.                                       

 Минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Самый простой способ определения этой энергии основан на одном замечательном законе природы, устанавливающим соотношение между массой тел и их энергией. Закон этот был открытым знаменитым учёным Альбертом Эйнштейном в 1905 году:E = mc2.                                                               

Предложенный закон не существует для учёных, так как  до сих пор не доказан и все попытки его доказательства ошибочны.                                                       

 Кинетическая энергия  вновь образованных ядер, это не энергию связи, необходимая для разделения атома урана на отдельные нуклоны, а энергия, возникшая от действия сил Кулона между протонами ядер,   что мы  имеем при реакции распада урана.                                                   

При делении одного ядра урана освобождается около 200Мэв. энергии.                    На кинетическую энергию движения ядер-осколков приходится примерно                165 - 175Мэв., остальную энергию  уносят гамма - кванты. Реакция распада Урана 235                                                                                                                                235/ 92 U + 1 n ---- 142/ 56  Ba + 91/36 Kr + 3 n.                                                                     Определим радиусы ядер:                                                                                                    rВа = 1,23*10- 15  АВа = 1,23*10- 15  *142 1 /3 =6,4*10 – 15м.,                                                  r Kr =1,23*10- 15  А Kr = 1,23*10- 15  *91 1 /3 == 5,5*10 – 15м..                                          Расстояние между центрами ядер равен                                                                             r =  rВа  + r Kr = 6,4*10 -15 + 5,5*10 – 15 = 1,2 *10 -14м.                             

Для получения сил Кулона, способных  преодолеть ядерные силы, необходимое расстояние между зарядами должно быть больше расстояния 2*10 -15м, расстояние на котором действуют ядерных силы, примем его  равным 3*10 -15м..                          Тогда расчётное расстояние между зарядами равно                                                           rр = r + 3*10 -15 = 1, 2*10 – 14  + 3*10 – 15  = 1,5*10-14м.

Сила Кулона равна ( ядерные силы не учитываются, так как они не известны, но должны быть и уменьшают значения: сил Кулона, скорости движения образовавшихся атомов и их кинетическую энергию ). Так как нам не известны характеристика ядерные силы, то расчёт является ориентировочным, основанный на физическом процессе  взаимодействия сил.                                                                        FК1 = kqeqp / r2  = 9*109*1,6*10-19* 56*1,6*10-19*36 / 1,52*10 – 28 = 2064н.,                Среднее значение силы равно                                                                                               F1 = (FК1+ FК2+ FК3 + FК4 + FК5) /5 = (2064 + 1161 + 743 +516 + 4379 ) / 5 = 973н. Расчёты сведём в таблицу 2.

Расстояния пройденное атомами                                                                                         s = rр3 - rр1 = 3,5*10 – 14 – 1,5*10 – 14   = 2*10 – 14 м..                                                          Ускорения полученные осколками:                                                                                 аВа  = F1 / АВа = 973 / (56*1,67262 *10 -27 + 86*1,674927351* 10 -27)  =                            = 4,1 *10 27м. / сек.2,                                                                                                               а Kr = FК / А Kr =973 / (36*1,67262 *10 -27 + 55 *1,674927351* 10 -27) =                =6,2*1027 м. / сек.2.                                                                                                                                   Из формулы  s = а t12 / 2 определим необходимое время                                                 t1 ={ 2s / (a1 + а2)} 1 / 2 ={ 2*2*10- 14  / (4,1 +6,2)*10 27}1 / 2 = 1,97*10- 21сек.                    Скорость движения атомов равна:                                                                                      vВа = а1 t1 =4,1 *10 27*1,97*10- 21  =8,1*106 м. / сек.,                                                            v Kr = а2 t1 =6,2 *1 0 27*1,97*10- 21  =12,2*106м. / сек..                                              Расстояние,  пройденное осколками примем равным                                                         s =6,5 *10- 14- 3,5*10- 14   = 3*10- 14 м..                                                                                Сила Кулона при:  rр1 = 4*10 – 14м. равна                                                                            FК1 = kqeqp / r2 = 9*109*1,6*10-19* 56*1,6*10-19*36  / 42*10 -28 = 290н.,

Расчёты сведём в таблицу 3.                                                                                                                                                                                                

Среднее значение силы                                                                                                          FКср = (FК3,5+ FК4 + FК4,5+ FК5+ FК5,5 + FК6 + FК6,5 ) / 7 =                                                      = (379 +290 + 229 + 186 + 154 + 129+ 110 ) / 7 = 211н.                                                      Ускорения полученные ядрами:                                                                                       аВа  = FКср / АВа =211 / / (56*1,67262 *10 -27 + 86*1,674927351* 10 -27)    =                     = 0,89*10 27м. / сек.2,                                                                                                               а Kr = FКср / А Kr =211 / / (36*1,67262 *10 -27 + 55 *1,674927351* 10 -27)  =                       = 1,35*1027 м. / сек.2.                                          
Из формулы  s= ( v1 + v2) t2 +(а1 + а2) t22/ 2 определим время движения на этом пу  t22 +2 ( v1 + v2) t2 / (а1 + а2 ) – 2s/ (а1 + а2 )  = 0                                                                t22 + 2 t2 (8,1 + 12,2)*106/ (0,89 + 1,35)1027 – 2*3*10-14 /(0,89  +1,35)1027 = 0                     t22 + 18,13*10 – 21 – 2,68*10 – 41 = 0                                                                                    t221,2= -18,13*10-21 ± (18,132*10-42 + 4*2,68*10-41)1, 2) / 2 =                                              = (-18,13*10-21 ± 20,88*10 – 21) / 2                                                                                         t 2 =( -18,13*10-21 + 20,88*10 – 21) /2 = 2,75*10- 21 / 2 = 1,375*10- 21  сек.             Увеличение скорости движения ядер равны:                                                                    v2Ва = аВа t2 =0,89*10 27*1,375*10- 21  =1,22*106 м. / сек.,                                                   v2 Kr =  а Kr t2 =1,35 *10 27*1,375*10- 21  =1,86*106 м. / сек..                                                 Скорости ядер суммарные:                                                                                                  V’ Ва = v1Ва  + v2Ва  = 8,1*106 + 1,22 *106 = 9,32*106 м. /сек.                                              V’ Kr = v1 Kr + v2 Kr = 12,2*106 +  1,86*106 = 14,06*106 м./сек.                                      Расстояние,  пройденное ядрами  на пути                                                                             s = 11,5 *10- 14- 6,5*10- 14   =5*10- 14 м..                                                                               Сила Кулона при rр1 = 7*10 – 14м.                                                                                        FК1 = kqeqp / r2 = 9*109*1,6*10-19* 56*1,6*10-19*36  / 72*10 -28 = 321н.,                       Расчёты сведём в таблицу 4.                                                                                                                                                                                                                              

Среднее значение силы                                                                                                          FКср = ( FК6,5+ FК7+ FК7,5+ FК8 + FК8,5 + FК9 + FК9,5 + FК10 + FК10,5 + FК11 + FК11,5 ) / 11 = = (110 +95 + 82 + 72 + 64 + 57 + 51 + 46 + 42 + 38 + 35) / 11 = 63 н.                                Ускорения полученные ядрами:                                                                                          аВа  = FКср / АВа =63/(56*1,67262 *10 -27 + 86*1,674927351*10 -27) = 0,26*10 27м./ сек.2,   а Kr = FКср / А Kr =63/(36*1,67262 *10 -27+ 55*1,674927351*10 -27) = 0,4*1027 м/.сек.2  . Из формулы  s= (V’ Ва + V’ Kr) t2 +( аВа + а Kr ) t22/ 2 определим время движения на этом пути                                                                                                                              t32 +2 (V’ Ва + V’ Kr ) t2 / (аВа +  а Kr) – 2s/ (аВа + а Kr )  = 0                                                    t32 + 2 t2 (9,32 + 14,06)*106/ (0,26 + 0,4)1027 – 2*5*10-14 /(0,26 +0,4)1027 = 0                    t32 + 70,85*10 – 21 – 14,92*10 – 41 = 0                                                                                      t321,2= -70,85 *10-21 ± (70,852*10-42 +4* 14,92*10 – 41)41/ 2 =                                            = (-70,85*10-21 ± 59,68*10 – 21) / 2                                                                                         t 3 =( -70,6*10-21 + 74,94 *10- 21 ) /2 = 4 ,34*10- 21 / 2 =2,17*10- 21  сек.       

                  Увеличение скорости движения ядер равны:                                                                    v3Ва =  аВа t3 =0,26*10 27*2,17 *10- 21  =0,56*106 м. / сек.,                                                  v3 Kr = а Kr t3 =0,4 *10 27*2,17 *10- 21  =0,87*106 м. / сек..                                                 Суммарные  скорости  движения  ядер:                                                                                V Вас = v1Ва  + v2Ва + v3Ва = 8,1*106 + 1,22*106 +0,56*106  = 9,9*106 м. /сек.                    V’ Krс = v1 Krс + v2 Krс + v3 Krс = 12,2*106 + 1,86*106 + 0,87*196  =14,9*106 м./сек.                 Кинетическая энергия ядер равна:                                                                                      ЕВа  = mВа V Вас 2 / 2 = (56*1,67262 *10 -27 + 86*1,674927351* 10 -27)  *9,92*1012 / 2 =      = 11649*10 - 15  дж.                                                                                                                  Е Kr = mKr V’ Krс 2  2 / 2 = (36*1,67262 *10 -27 + 55 *1,674927351* 10 -27)  *14,92*1012 / 2 = = 17364 *10 -15 дж                                                                 

 Суммарная кинетическая энергия осколков равна                                                             Е = ЕВа + Е Kr = 11649*10 - 15  + 17364 *10 -15   = 29013*10 -15  дж.  или                          29013 *10 - 15  /1,6*10 -19    = 181 Мэв.                                                                            Полученный результат близок данным в физике 175 Мэв.

Таким образом, не дефект масс создаёт кинетическую энергию ядрам, а в основном силы Кулона.

Заключение

Дефект масс ядра  атома зависит от центробежных и ядерных сил действующих на нуклоны, вращающихся в ядре атома, при этом величина центробежных сил действующих на все нуклоны пропорциональна дефекту масс, а ядерные силы больше центробежных и поэтому нуклоны соприкасаются в ядре. Дефект масс зависит от скорости вращения нуклонов в ядре атома, за счёт этого возникают центробежные силы, направленные от центра ядра и зависящие от числа нуклонов в ядре,  которым противодействуют ядерные силы, а величина центробежных сил определяет величину, на которую уменьшается масса нуклона. Энергию связи по известной формуле  Δm = ΔE0/c2  определять нельзя, так как она не доказана, удивительно как учёные всего мира  не желают признавать этого. Так согласно теории относительности дефект масс Δm движется со скоростью v равной скорости  света с. а следовательно релятивистское значение его равно бесконечности  m = m0 / (1 – v2 / c2) 1 / 2 , что в конечном счёте энергия связи должна быть равной бесконечности. При этом формула энергии связи не даёт физического обоснования, каким образом дефект масс создаёт кинетическую энергию. Предложен  примерный расчёт этой энергии при распаде урана 235. Точный расчёт возможен при получении знаний характера ядерных сил.